TW201410057A - 基於頻譜相關性函數之感知無線電主動式頻譜偵測方法 - Google Patents

基於頻譜相關性函數之感知無線電主動式頻譜偵測方法 Download PDF

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Abstract

一種基於頻譜相關性之感知無線電訊號結構設計應用於主動式頻譜偵測，利用複製主要使用者訊號之領航訊號資料至感知無線電訊號中，然後藉由主動式偵測節點之頻譜相關性函數而求出混合訊號強度特徵之頻譜相關性。藉此，與傳統之主動偵測方法試圖檢測主要使用者訊號之強度特徵相比，本發明所提出之方法能使主動式偵測效能可以進一步提高之同時，亦能保持感知無線電系統之服務品質，進而在相同之檢測時間下能達到更好之偵測效能，除了可以提升主動式偵測之效能、降低感測時間(約為傳統感測時間之1/10)，並可在低訊號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)以及訊號干擾雜訊比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)之情況下，仍然可以達到令人滿意之偵測結果，具有能提高頻道使用效率，於傳輸資料之同時，亦可隨時進行偵測；因此，可以廣泛地應用於與感知無線電系統相關之系統與使用者。

Description

基於頻譜相關性函數之感知無線電主動式頻譜偵測方法
本發明係有關於一種基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，尤指涉及一種利用複製主要使用者(Primary User,PU)訊號之領航訊號(Pilot Signal)資料至感知無線電(Cognitive Radio,CR)訊號中，然後藉由主動式偵測節點之頻譜相關性函數(Spectral Correlation Function,SCF)而求出混合訊號強度特徵之頻譜相關性之方法。
近年來，無線移動通信技術雖為用戶提供了良好之空間與時間靈活性。但同時，複雜之無線移動通道特性、有限之無線頻譜資源、以及新業務之不斷湧現等新無線服務之蓬勃發展皆對無線傳輸技術提出了更高要求。
隨著無線通信技術之快速發展，頻譜匱乏問題逐漸凸顯，頻譜資源已成為非常寶貴之資源之一。根據美國聯邦通訊委員會(FCC)之調查表明，已分配之頻譜在時間與空間上之利用率極低。例如，某些頻段劃分給某種行業，但該行業並沒有全部利用整個頻段，有相當一部分頻段閒置不用。當前分配之絕大多數頻譜利用率為15%~85%；因此，FCC認為當前存在之主要問題並非沒有頻譜可用，而是現有之靜態頻譜分配方式導致頻譜資源沒有被充分利用。
感知無線電之概念最早由Mitola於1999年提出。它通過對頻譜環境之感知，將特定時間、特定空間上之空閒頻譜分配給未授權用戶，以提高頻譜利用率。這種動態之頻譜共用方式 能大大提高頻譜利用率。
頻譜檢測係感知無線電之關鍵技術，CR用戶必須即時監測頻譜變化，以避免與授權用戶發生碰撞。頻譜檢測之精度與可靠度決定了是否會侵害授權用戶之正常通信。目前研究較多之頻譜檢測方法包括有匹配濾波器法(Matched-Filter Detection)、循環平穩特徵檢測法(Cyclostationary Feature Detection)以及能量檢測法(Energy Detection,ED)等。其中該匹配濾波法需要知道授權用戶訊號之先驗資訊，如調製類型、脈衝成型與分組格式等；該循環平穩特徵檢測法利用訊號之頻譜相關特徵進行檢測，低訊噪比情況下有較好之檢測性能，但計算複雜度較大；而該能量檢測法係一種傳統之檢測方法，其最大優點係只需要知道被檢測頻段內訊號之能量而無需知道訊號之先驗知識，而且實現簡單，因此，可以將能量檢測法應用到感知無線電中，作為預先之粗檢測以提高檢測效率。然而，能量檢測法之判決門限較難設置，當雜訊不確定時，對檢測性能之影響很大，另外，傳統之能量檢測法只能以能量大小來做為判斷之依據，其不能區分出有用信號、干擾及雜訊，因此更不能區分出接收訊號之類型與調製方式等。而以上該些缺陷無疑限制了能量檢測法在某些情況下之使用。
由於頻譜感知技術係感知無線電系統中之關鍵技術之一。在週期性頻譜偵測架構下可以提供可靠之感測靈敏度，通過引入感測訊號幀之間之靜默期以保護主要使用者(Primary Users,PUs)免受干擾；然而，安排太多幀內感測感知無線電訊號之靜默期，可能會降低感知無線電網路之服務品質(Quality of Service,QoS)。為了解決這個問題，主動偵測 (Active Sensing)在執行頻譜偵測與傳輸資料之同時，已建議更換幀內感測，且使用循環平穩特徵檢測器(Cyclostationary Feature Detector)之效能會比單純使用主動偵測好，其透過偵測主要使用者訊號裡領航訊號之特徵(Feature)來進行偵測，可以有效提升在主動偵測下之偵測靈敏度；然而，無線頻譜係一種有限之資源，由於感知無線電網路傳輸所造成之干擾，使得主動偵測存有感測效能變得有限之缺點，縱使搭配循環平穩特徵檢測法，惟其畢竟仍係一個被動之偵測方式，亦無法改變同頻干擾造成偵測效能降低之事實。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種根據循環平穩簽名設計之原則，包含利用複製主要使用者訊號之領航訊號資料至感知無線電網路中，然後藉由主動式偵測節點之頻譜相關性函數而求出混合訊號強度特徵之頻譜相關性之主動式頻譜偵測法。
本發明之次要目的係在於，提供一種能使主動式頻譜偵測效能可以進一步提高之同時，亦能保持感知無線電系統之服務品質，進而在相同之檢測時間下能達到更好之偵測效能之主動式頻譜偵測法。
本發明之另一目的係在於，提供一種可以提升主動式偵測之效能、降低感測時間(約為傳統感測時間之1/10)，並且可以在低之SNR以及SINR之情況下，仍然可以達到令人滿意之偵測結果之主動式頻譜偵測法。
本發明之再一目的係在於，提供一種具有能提高頻道使用規格，於傳輸資料之同時，亦可隨時進行偵測，達到於郊區亦可接收數位電視之功效，而可廣泛應用於與感知無線電系統相關之系統與使用者之主動式頻譜偵測法。
為達以上之目的，本發明係一種基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，其包含：(A)複製主要使用者訊號之領航訊號資料，並嵌入該領航訊號至一個或多個感知無線電訊號頻率之子載波(Subcarriers)以組成混合訊號；(B)當主要使用者網路與感知無線電網路均進行傳輸時，由一主動式偵測節點之頻譜相關性函數求出該混合訊號中固有特徵之頻譜相關性；以及(C)使用一能量檢測法進行檢測。
請參閱『第1圖』所示，係本發明之主動式頻譜偵測架構示意圖。如圖所示：本發明係一種基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，其至少包含下列步驟：(A)於主要使用者網路系統1中訊號頻率之子載波(Subcarriers)11中複製主要使用者(Primary User,PU)訊號之領航訊號(Pilot Signal)12資料，並嵌入該領航訊號12至一個或多個感知無線電(Cognitive Radio,CR)網路系統2中訊號頻率之子載波21以組成混合訊號22；(B)當該主要使用者網路系統1與該感知無線電網路系統2均進行傳輸時，由該感知無線電網路系統2之主動式偵測節點23之頻譜相關性函數(Spectral Correlation Function,SCF)求出該混合訊號22中強度特徵之頻譜相關性；以及 (C)使用一能量檢測法(Energy Detection,ED)對強度特徵之頻譜相關性進行檢測。
上述步驟(A)領航訊號係通過感知無線電網路系統，由兩個或兩個以上之子載波訊號上佈署相同之資料產生。
於一較佳實施例中，考慮主要使用者存在下之主動式頻譜偵測情況，其中主要使用者網路系統與感知無線電網路系統在相同之頻段內均進行傳輸，由感知無線電網路系統中之主動式偵測節點接收主要使用者訊號以及感知無線電訊號組成混合訊號。假設主要使用者網路系統係一領航嵌入式系統，例如以正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)為基礎之系統，其領航訊號可以由以OFDM為基礎之感知無線電網路系統中之主動式偵測節點所知悉。然後，感知無線電網路系統中之發射器將作為主要使用者訊號之相同領航值或訊號嵌入至其訊號中之一些子載波。當主要使用者網路系統與感知無線電網路系統均進行傳輸，該混合訊號之強度特徵可以很容易地經由主動式偵測節點之頻譜相關性函數而求出來。
本方法之資料佈署過程係複製主要使用者訊號之領航值或訊號，並嵌入該領航訊號值或訊號至一個或多個感知無線電訊號頻率之子載波。如第1圖所示，其中水平軸與垂直軸分別代表主要使用者訊號與感知無線電訊號在頻域之子載波與OFDM符號。於主要使用者訊號中，其子載波帶有斜線方向係為領航訊號。複製主要使用者訊號之j th 子載波之領航訊號，感知無線電網路系統之使用者嵌入領航訊號至其自身訊號之k th 子載波。因此感知無線電網路系統中之主動式偵測節點接收 到之訊號係為： 其中，R j,l 與R k,l 係分別為接收到來自主要使用者與感知無線電之訊號；與係分別為攜帶主要使用者網路系統與感知無線電網路系統資料之子載波，其可視作為相互獨立之隨機序列。因此，由於相關之與，通過(R k,l ． )產生循環平穩特徵。
考慮領航訊號嵌入到感知無線電網路系統之訊號，已知主要使用者之領航訊號，係複製到感知無線電訊號之。因此，通過循環平穩檢查，所接收之訊號之強度特徵可經由主動式偵測節點之頻譜相關性函數求出，其表現公式為：
最後，根據主要使用者存在下之主動式頻譜偵測情況，以能量檢測法進行檢測取得檢定統計量T(R)，其表現公式為：
請參閱『第2圖及第3圖』所示，係分別為本發明之接收者操作特徵曲線示意圖、及本發明之性能曲線示意圖。如圖所示：當進行模擬測試時，本發明使用一DVB-T 2K模式作為主要使用者網路，並作為本發明模擬中之感知無線電系統採用類似於DVB-T使用2048子載波之OFDM系統，且主要使用者網路系統與感知無線電網路系統係操作在相同之無線電頻段；另外，模擬中之主動式感測節點係一基於SCF之循環平穩特徵檢測器，用以檢測主要使用者訊號之強度特徵。模擬 中，總數K代表領航訊號嵌入到感知無線電訊號之每個OFDM符號；M係代表每個測試之OFDM符號之平均數。
經第2圖模擬在偵測機率(Detection Probability)與誤警機率(False Alarm Probability)之間之關係方面，其中實線代表使用本方法之主動式頻譜偵測曲線；虛線代表使用一循環平穩特徵檢測器主動式頻譜偵測主要使用者訊號上之強度特徵。當SNR設置為0dB及SINR設置為-12dB。結果顯示，本發明所提之方法對主動式頻譜偵測效能效果顯著，具有良好之偵測機率。
經第3圖之模擬，圖中之曲線係表示在AWGN通道下進行主動頻譜偵測之偵測效能。其中誤警機率為0.01、SNR為0dB、以及SINR為-10dB。結果顯示，本發明所提之方法可主動地控制其訊號之強度，具有極低之誤警機率，能有效降低同頻干擾。
本發明提出一種基於頻譜相關性函數之感知無線電主動式頻譜偵測法，根據循環平穩簽名設計之原則，包含利用複製主要使用者訊號之領航訊號資料至感知無線電網路中，然後藉由主動式偵測節點之頻譜相關性函數而求出混合訊號強度特徵之頻譜相關性。藉此，與傳統之主動偵測方法試圖檢測主要使用者訊號之強度特徵相比，本發明所提出之方法能使主動式偵測效能可以進一步提高之同時，亦能保持感知無線電系統之服務品質，進而在相同之檢測時間下能達到更好之偵測效能，除了可以提升主動式偵測之效能、降低感測時間(約為傳統感測時間之1/10)，並可在低之SNR以及SINR之情況下，仍然可以達到另人滿意之偵測結果，具有能提高頻道使用規格，於 傳輸資料之同時，亦可隨時進行偵測，達到於郊區亦可接收數位電視之功效；因此，可以廣泛地應用於與感知無線電系統相關之系統與使用者。
綜上所述，本發明係一種基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，可有效改善習用之種種缺點，能使主動式偵測效能可以進一步提高之同時，亦能保持感知無線電系統之服務品質，進而在相同之檢測時間下能達到更好之偵測效能，除了可以提升主動式偵測之效能、降低感測時間，並可在低之SNR以及SINR之情況下，仍然可以達到另人滿意之偵測結果，具有能提高頻道使用規格，於傳輸資料之同時，亦可隨時進行偵測，達到於郊區亦可接收數位電視之功效，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧主要使用者網路系統
11‧‧‧子載波
12‧‧‧領航訊號
2‧‧‧感知無線電網路系統
21‧‧‧子載波
22‧‧‧混合訊號
23‧‧‧主動式偵測節點
第1圖，係本發明之主動式頻譜偵測架構示意圖。
第2圖，係本發明之接收者操作特徵曲線示意圖。
第3圖，係本發明之性能曲線示意圖。
1‧‧‧主要使用者網路系統
11‧‧‧子載波
12‧‧‧領航訊號
2‧‧‧感知無線電網路系統
21‧‧‧子載波
22‧‧‧混合訊號
23‧‧‧主動式偵測節點

Claims (7)

  1. 一種基於頻譜相關性之感知無線電訊號結構設計應用於主動式頻譜偵測，其至少包含下列步驟：(A)於主要使用者網路系統中複製主要使用者(Primary User,PU)訊號之領航訊號(Pilot Signal)資料，並嵌入該領航訊號至一個或多個感知無線電(Cognitive Radio,CR)網路系統中訊號頻率之子載波(Subcarriers)以組成混合訊號；(B)當該主要使用者網路系統與該感知無線電網路系統均進行傳輸時，由該感知無線電網路系統之主動式偵測節點之頻譜相關性函數(Spectral Correlation Function,SCF)求出該混合訊號中強度特徵之頻譜相關性；以及(C)使用一能量檢測法(Energy detection,ED)對強度特徵之頻譜相關性進行檢測。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，其中，該主要使用者係一領航嵌入式系統，並可為正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系統。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，其中，該主動式感測節點係一基於SCF之循環平穩特徵檢測器，用以從該混合訊號中提取主要使用者之強度特徵。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，其中，該步驟(A)係複製主要使用者訊號之j th 子載波之領航訊號，由該感知無線電 系統之使用者嵌入該領航訊號至其自身訊號之k th 子載波，其表現公式為： 其中，該R j,l 係為接收到來自主要使用者之訊號，而該R k,l 係為接收到來自感知無線電之訊號。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，其中，該步驟(B)係以主動式偵測節點對該混合訊號進行SCF測試以取得循環平穩特徵，其表現公式為：
  6. 依申請專利範圍第1項所述之基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，其中，該步驟(C)以能量檢測法進行檢測取得檢定統計量T(R)，其表現公式為：
  7. 依申請專利範圍第1項所述之基於頻譜相關性之感知無線電主動式頻譜偵測法，其中，該步驟(A)領航訊號係通過感知無線電系統，由兩個或兩個以上之子載波訊號上佈署相同之資料產生。
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